a. Finalità e Obiettivi
Le dinamiche su scala mondiale, ed il documento di visione strategica dell’Unione Europea “EU 2020” Horizon 2020, pongono l’attenzione su specifici settori prioritari della ricerca, quali quelli climatico-‐ambientale, energetico, della salute, del patrimonio culturale, della sicurezza sociale e delle aree urbane. In tale contesto, ed in accordo con le principali strategie internazionali in merito alle cosiddette “Social Challanges”, la ricerca nel settore dei materiali avanzati è chiamata a sfide sempre più ambiziose che richiedono, da un lato, una maggiore attenzione allo sviluppo di conoscenze fondamentali, dall’altro, una maggiore capacità di valorizzazione della conoscenza attraverso processi di innovazione in grado di rispondere a sfide tecnologiche e socio-‐economiche tra cui, nello specifico, i) la salute, ii) l’efficienza energetica, iii) i sistemi di trasporto a minor impatto ambientale, iii) l’uso efficiente delle materie prime e delle risorse rinnovabili. Gli obiettivi delle attività di ricerca, son inoltre legati ad alcuni temi di interesse strategico per l’industria nazionale e oggetto di attenzione di alcuni distretti e poli tecnologici dell’aerospazio, la mobilità terrestre e marina, le scienze della vita, l’energia, la fabbrica intelligente e le tecnologie per la smart communities.
L'area progettuale Materiali Avanzati e Tecnologie Abilitanti intende sviluppare nuove strutture multifunzionali attraverso moderne metodologie chimiche e tecnologie additive ed integrazione delle tecnologie abilitanti per creare una opportuna "value chain" nei diversi settori strategici per l’industria italiana.
Nell'ambito di "Materiali Avanzati e Tecnologie Abilitanti, gli obiettivi verranno raggiunti attraverso le seguenti attività: a)sintesi e caratterizzazione di nuovi sistemi polimerici anche con metodologie non convenzionali; b)sviluppo di sistemi ibridi e di nanocompositi; c)studio dei meccanismi di interazione tra polimeri, sostanze a basso peso molecolare e/o nanoparticelle; d)modifica chimica e formulazione di nuovi materiali (es. imballaggio) per il miglioramento della qualità e sicurezza dei prodotti; e)tecnologie per membrane nanostrutturate per processi di separazione; f) materiali metallici e ceramici per l'energia ed applicazioni in condizioni critiche; g) recuperi di "critical raw material". Le applicazioni riguardano i settori dell'elettronica-‐optoelettronica, fotonica, civile, energia (es. fotovoltaico, etc.), edile, trasporti (aereo-‐spazio, navale e terrestre), salute (es. riabilitazione, etc.).
Ulteriori applicazioni e processi interessano l’industria creativa e culturale attraverso nuovi materiali ed tecnologie in settori come ad esempio l’architettura, il design industriale e il "Made in Italy" (moda, etc.). Nell'ambito dei beni culturali le attività interessano l’utilizzo di materiali, metodologie avanzate e delle infrastrutture di indagine. In tali settori si implementeranno nuove tecnologie additive come ad esempio 3D Printing.
Attività di ricerca sono rivolte ai materiali avanzati con riferimento allo sviluppo di nuovi materiali bidimensionali mono-‐atomici e relative applicazioni tecnologiche. Ad esempio, creare una catena del valore per lo sviluppo di nuove applicazioni del grafene e fosforene. L’utilizzo del modeling computazionale completa la capacità di investigare le complessità fenomenologiche definendo le relazioni struttura/proprietà e prestazioni. La complessità delle attività viene affrontata attraverso l'approccio interdisciplinare e l'integrazione delle Key Enabling Technologies e delle infrastrutture.
b. Contenuto Tecnico Scientifico
Le attività previste per il prossimo triennio saranno focalizzate sullo sviluppo di strutture e sistem multifunzionali.
-‐ Sviluppo di nanocompositi polimerici, nanostrutture e ibridi organico/inorganico.
Realizzare nuovi materiali e strutture aventi specifiche funzionalità per applicazioni in diversi settori strategici quali ad esempio l’energia (sviluppo di sistemi innovativi per l’efficienza energetica degli edifici), i sistemi di trasporto (light weight materials) e i materiali per il restauro.
-‐ Sviluppo di nuovi Materiali bidimensionali Mono-‐Atomici: dalla Ricerca di base alle applicazioni Tecnologiche. In particolare, si prevedono attività di ricerche mirate alla preparazione nuovi materiali (es. grafene, fosforene), alla definizione di metodi di deposizione di monostrati e/o strutture ibride, allo sviluppo di supercondensatori e batterie, membrane, membrane, celle solari, e sensori, perseguendo una ricaduta tecnologica di forte impatto
sul mercato italiano industriale e manifatturiero.
-‐ Materiali, processi e dispositivi per applicazioni nell’energia.
Le attività proposte sono in accordo con Piano strategico Europeo per le Tecnologie nell’Energetica (SET plan) della Commissione Europea. Si prevede di sviluppare attività nel design, sintesi e caratterizzazione di materiali fotoattivi; preparazione e ottimizzazione delle proprietà elettroniche e morfologia di strati fotoattivi organici e ibridi per celle a film sottile; assemblaggio e test di dispositivi fotovoltaici OPV. Progettazione, sintesi e caratterizzazione di materiali coniugati a basso e alto peso molecolare e di coloranti organici non metallici. Sviluppo di conduttori elettrici ceramici, ibridi organico-‐inorganico conduttori ionici, compositi multimateriali e nuovi ceramici trasparenti come light converters nella tecnologia LED. Sviluppo di materiali attivi e dispositivi OLED monostrato e multistrato, bottom emitting (architettura tradizionale/inversa, e di illuminatori a base organica ad alta efficienza energetica integrati a sistemi ottici di pilotaggio della luce su substrati plastici e di sorgenti OLET con architetture molecolari emittenti sia da stato di singoletto che di tripletto.
-‐ Compositi a base ceramica e metallica per condizioni termiche estreme.
Si prevede tli applicazioni nell'ambito aerospazio siluppando anche rivestimenti per la protezione da corrosione e da usura di materiali strutturali in condizioni estreme e relative tecnologie additive.
-‐ Nuovi materiali intelligenti e adattivi
Incrementare le funzionalità attraverso l’interazione tra materiali organici/inorganici con campi elettromagnetici esterni (elettrici, ottici, magnetici ecc.) per generare una nuova classe di materiali intelligenti nanorganizzati con proprietà nano-‐bio-‐optoelettroniche-‐fotoniche.
-‐ Modelling computazionale in sistemi di interesse energetico e tecnologico.
I campi di azione e gli obiettivi strategici identificati riguardano: Sviluppo metodologico, Molecole e materiali per optoelettronica, Nanomateriali per elettronica; Beni culturali;
-‐ Tecnologie abilitanti per la conoscenza, la conservazione e la fruizione sostenibile dei beni culturali.
In tale ambito è ricompresa anche l’attività di identificazione di osservabili chimico-‐fisico-‐strutturali-‐morfologici utili alla definizione dell’originalità di una opera d’arte e il potenziale trasferimento di informazioni e competenze ad Aziende ai fini dello sviluppo di un artigianato culturale di qualità.
Avvalendosi dell'integrazione delle tecnologie abilitanti si intende identificare agenti e meccanismi di degrado con l’obiettivo di progettare, formulare e validare materiali micro e nanostrutturati e metodi in grado sia di inibire i fenomeni di degrado sia di permettere operazioni di consolidamento e cleaning innovativo. Approcci sviluppati in teranostica verranno trasferiti per applicazione nella conservazione dei beni culturali.
-‐ Tecnologie abilitanti per packaging multifunzionale:
Sviluppi di imballaggi e dispositivi di nuova generazione a ridotto impatto ambientale per contribuire sia ad una perfetta protezione del cibo nell’intera catena alimentare sia a ridurre al minimo le perdite di cibo che si verificano in fase post-‐raccolta durante il trasporto e lo stoccaggio.
-‐ Tecnologie additive
Sviluppo di materiali ed implementazione di tecnologie additive per lo sviluppo di prodotti custom-‐made i settori diversi quali Made in Italy, tempo libero, beni culturali, costruzioni, riabilitazione etc.
c. Eventuali collaborazioni nazionali/internazionali
Forti sono le correlazioni con le tre pilastri prioritari di Horizon2020 e sia alle azioni individuate nei programmi PON/POR 2007-‐2013 con riferimento ai settori “Efficienza energetica” e “Nanotecnologie”.
Tra i progetti fortemente legati a realtà territoriali sono quelli attivati con MISTER in Emilia Romagna, con il distretto tecnologico IMAST della Regione Campania sui Materiali e le Strutture, in collaborazione con i partner industriali del distretto (Alenia Aeronautica, Ansaldo Breda, Elasis (Ricerche FIAT), ST Microelectronics, Mapei, CIRA, Enea, Fincantieri, Consorzio TRE, ALDLER) e con altre realtà industriali e di ricerca nazionali ed internazionali (CRF, Aermacchi, Boeing Mossi e Ghisolfi, , Termo-‐PAIF S.p.A., ORV): Altri partners di rilievo sono: Fondazione Cariplo, LYONDELLBASELL, POLIMERI EUROPA, Pirelli Tyre SpA, ITP, Ind. Termoplastica Pavese, Novamont, TOPAS-‐GmbH (D). SABIC (SAS).
Inoltre, L'obiettivo di questo progetto è di sfruttare l'effetto leva della graphene Flagship. La Flagship sul grafene coordina circa 140 gruppi di ricerca accademici e industriali di 19 paesi europei. L’Italia è, con la Germania, la nazione maggiormente rappresentativa nella flagship per numero di partner. Il CNR è uno dei fondatori iniziali della Flagship e anche il rappresentante dell’iniziativa in Italia
d. Eventuali collaborazioni con le Università
Notevoli risultano le collaborazioni tra università nazionali ed internazionali nell’ambito attraverso progetti EU come ad esempio, Bologna, Trento, L’Aquila, Dipart. di Chimica PoliMI, Dipart. Chimica e Chimica Industriale UniGE, Dipart. Scienze Chimiche UniPD, Dipart. Chimica UniBO, Dipart. di Ingegneria e Architettura UniTS, Consorzio Interuniversitario per la scienza e tecnologia dei materiali-‐ INSTM, Consorzio per lo Sviluppo dei Sistemi a Grande Interfase-‐CSGI, University of Cambridge, Manchester, Strasbourg, Dresden, etc. enti di ricerca coinvolti: CNRS, CSIC, IIT, EPFL, ETH, Max Planck, Fraunhofer, etc.,
Ecole Polytecnique Fédérale de Lausanne, Solaronix S.A.-‐CH, Commissariat à l’Energie Atomique CEA, Department of Materials Science and, CNRS Lab. de Matériaux et Procés Membranaires, Ecole Nationale Supérieure de Chimie, Forschungszentrum Jülich GmbH, Agencia Estatal Consejo Superior de Investigaciones Científicas CSIC, Princeton University, Max Planck Institüt, Russian Academy of Sciences, LEMTA Université de Lorraine.
Attività di collaborazione anche attraverso progetti bilaterali ed accordi internazionali di ricerca con paesi extra EU quali USA, Giappone, Technology, Tokyo University of Science, Korea Science and Engineering Foundation KOSEF, Korea Research Institute of Chemical Technology KRICT e Cina. Di particolare rilievo è l'accordo siglato tra il DSCTM e l'Università di Sichuan per la realizzazione del centro di ricerca congiunto MPBRC e recentemente con
Tsinghua University.
e. di fi I Infrastrutture di ricerca
Laboratorio LAMEST per gli studi morfologici avanzati di strutture a base polimerica. CNR-‐Graphene Factory( http://grafene.cnr.it) in collaborazione con DSFTM. ’X-‐ray MicroImaging Laboratory (XMI-‐LAB) presso presso IC, ISIS Oxford, Sincrotroni (Grenoble e d Elettra). Micro e Submicro Tecnologie abilitanti per Emilia-‐Romagna, (MIST E-‐R). Infrastruttura deposizione film inorganici (ISTEC-‐CNR)
Laboratorio Mobile (MOLAB) facilities con tecnologie diagnostiche nell'ambito dei beni culturali.
Il DSCTM partecipa attivamente, anche in posizioni di responsabilità, all’infrastruttura European Research Infrastructure for Heritage Science (E-‐RIHS) il cui back-‐ground è maturato nell’ambito di alcuni progetti europei fra cui sono ricompresi EU-‐ARTECH, CHARISMA, IPERION-‐CH e ARIADNE ove ha operato anche il personale del Dipartimento.
Inoltre, gruppi di ricerca del DSCTM partecipano al Consorzio CoIRICH (Italian Research Infrastructure for Cultural Heritage) una infrastruttura di ricerca distribuita e multidisciplinare finalizzata alla conservazione e all’analisi del patrimonio culturale coordinata dal MiBACT che è stata inserita dal MIUR nella roadmap Italiana delle infrastrutture di ricerca di interesse nazionale e pan-‐Europeo nell’area “Social Science and Humanities”.
Large Area Fabrication Facility per Thin, Organic, Large Area Electronics (ISMN), Infrastruttura BeyondNano, 3-‐D Manufacting Facilities IPCB-‐CNR.
Area Progettuale 3.
Nanomedicina: biomolecole e biomateriali per la salute personalizzataa. Finalità e Obiettivi
La nanomedicina, applicazione della nanotecnologia nel settore della salute, offre numerose e promettenti possibilità per sviluppare in modo significativo nuove metodologie di diagnosi e terapie mediche atte a migliorare la qualità della vita. La nanomedicina rappresenta un ampio settore scientifico che si estende dalla diagnostica in vitro ed in vivo alla tecniche terapeutiche includendo targeted drug delivery e medicina rigenerativa, interfacciando nano-‐materiali (strutture, superfici, particelle, etc.) o strumenti analitici con sistemi umani (cellule, tessuti, etc.) ed insieme al "drug discovery" su basi molecolari permette di realizzare un approccio sistematico per disegnare una medicina personalizzata.
Nella specifica area progettuale l’approccio scientifico e tecnico è di tipo orizzontale analizzando i vantaggi di tecnologie interdisciplinari e convergenti per lo sviluppo di metodologie innovative nell’area dell’imaging molecolare, targeted drug delivery, medicina rigenerativa e biosensoristica. Tale approccio è inteso a definire nuove strategie per l’avanzamento di tecnologie per lo sviluppo su base molecolare di nuove molecole di sintesi o naturali ad attività diagnostica e terapeutica per patologie ad alto impatto sociale (ad es. neoplastiche, musco-‐ scheletrico e neurodegenerative e metaboliche), e con applicazione nella rigenerazione di tessuti/organi patologici.
Inoltre, le attività coinvolte in tale area mirano a realizzare una network di nano-‐medicina ed a potenziare le infrastrutture già disponibili presso i soggetti coinvolti.
Nell'ambito delle biomolecole per la salute personalizzata gli obiettivi riguardano:
-‐Sviluppo di nuovi agenti terapeutici attraverso strumenti quali la proteostasi, la metallostasi, la chimica combinatoriale, la biologia e la chimica strutturale, lo screening di repertori molecolari, le tecnologie “omiche” per il profiling molecolare, trascrittomico, proteomico e metabolomico/lipidomico;
-‐Sintesi e semi-‐sintesi organica e biorganica, caratterizzazione di nuove molecole con specifiche proprietà biochimiche. Identificazione e ottimizzazione di sostanze naturali di origine vegetale e in organismi marini di interesse biologico e biomedico;
-‐Sviluppo di processi innovativi nei settori delle biotecnologie mediche e farmaceutiche e nella nutraceutica; -‐Sviluppo di modelli e metodologie computazionali per descrivere la struttura e le proprietà di sistemi a diversa complessità ad attività biologica;
Nell'ambito dei biomateriali per la Medicina Rigenerativa gli obiettivi interessano:
-‐ Lo sviluppo di biomateriali multi-‐funzionali (extracellular matrix analogues) per la rigenerazione e riparazione dei tessuti. La progettazione dei materiali "verrà realizzata considerando le tecnologie additive (es. 3D printing combinata con l'imaging technology) per realizzare strutture personalizzate.
-‐ Tecniche di "drug-‐delivery" e di diagnosi accoppiate allo sviluppo di nuove molecole e nanomateriali per molecular imaging rappresentano una innovativa soluzione per effettuare contemporaneamente diagnosi e terapia (Teranostic).
-‐ Bio-‐sensori degradabili, impiantabili, miniaturizzati e wireless, per monitoraggio e diagnostica.
b. Contenuto Tecnico Scientifico
I contenuti tecnico scientifici dell'Area Tematica possono essere così riassunti:
Biomolecole per la salute personalizzata:
Identificazione di nuovi target e nuovi leads anche da fonte naturkae Ottimizzazione farmacodinamica e farmacocinetica di leads nuovi o già noti Delivery e targeting selettivo di leads nuovi o già noti
Diagnostica molecolare e sviluppo di tools diagnostici e per bioimaging Farmaci, nutraceutici, formulazioni e tools diagnostici
Biomasse microbiche e vegetali e loro applicazioni Sviluppo di tecniche di drug discovery
Sviluppo di tecniche di caratterizzazione strutturale di molecole a diversa complessità complesse di interesse biomedico o biotecnologico con tecniche allo stato solido e in soluzione.
Biomateriali e Medicina Rigenerativa
Sviluppo di nuovi biomateriali per l'ingegneria dei tessuti: nano compositi multifunzionali per la rigenerazione di tessuti complessi.
sviluppo di superfici intelligenti nano-‐strutturate e nano-‐funzionalizzate di materiali bi-‐e-‐tri-‐dimensionali Matrici stimuli-‐responsive polimeriche e/o inorganiche (nanocarriers, nanoparticelle, etc.) per applicazioni
in drug-‐delivery per terapie avanzate.
Sviluppare nuovi materiali polimerici e ibridi con capaci ti integrare cellule, biomolecole (proteine, DNA, enzimi ecc.), molecole attive.
Teranostica, sviluppo di nuove nano-‐particelle attive e nano carriers capaci di trasportare farmaci/biomolecole e realizzare la diagnosi: diagnosi/monitoraggio attivo e passivo.
Modelling computazionale in sistemi di interesse biologico e tecnologico, Sviluppo metodologico; Sistemi biologici;
Nanofabbricazione e funzionalizzazione di strati e superfici anche per integrazione di sistemi biologici e per nanobiotecnologie (nano, microfluidica). Sviluppo di devices ed attuatori a base di leghe a memoria di forma)
Sviluppo nuovi biomateriali per il 3D manufacturing per la realizzazione di strutture castomizzate (scaffold/strutture per la rigenerazione e riparazione di tessuti e organi e dispositivi medici).
Sviluppo di biosensori biodegradabili
c. Eventuali collaborazioni nazionali/internazionali
Il Progetto può contare su una ampia rete di collaborazioni a livello nazionale ed internazionale. In ambito nazionale sono attive numerose collaborazioni con altri Istituti del CNR sia del DSCTM sia di altri Dipartimenti CNR, con consorzi (es.: “Collezione Nazionale di Composti Chimici e Centro Screening S.C.R.L.) e con soggetti a forte caratterizzazione territoriale quali Regioni, Distretti Tecnologici e Fondazioni Bancarie, ospedali. I finanziamenti nazionali alle commesse afferenti sono legati sia a progetti specifici del MIUR (PON, FIRB, PRIN etc) sia a progetti anche di grossa rilevanza a livello regionale.
Nell'ambito delle interazioni con partner industriali sono in essere contratti di ricerca e/o servizio con numerose aziende, quali Chiesi Farmaceutica Spa, Advanced Accelerator Applications Srl, Angelini ACRAF spa, DFM scarl, Rigaku, Kedrion spa, ABmedica S.p.A., Dompè, etc.. In ambito internazionale, numerose sono le collaborazioni attraverso progetti europei e collaborazioni/accordi bilaterali con istituti di ricerca stranieri (AFOSR, Tuft University -‐ USA, University of Sichuan e Third Military Hospitals -‐ Cina, Brasile, Mexico, etc.).
d. Eventuali collaborazioni con le Università
Il Progetto presenta una ampia rete di collaborazioni con numerosi dipartimenti universitari. Inoltre vi sono strette relazioni anche attraverso gli accordi quadro sottoscritti dal Dipartimento o dall'ente con il Consorzio Interuniversitario di ricerca in chimica dei metalli nei sistemi biologici – CIRCMSB (Bari) e il Consorzio Interuniversitario per la scienza e tecnologia dei materiali-‐ INSTM (Firenze) e l'Istituto Nazionale di Biostrutture e Biosistemi -‐ INBB (Roma).
e. di fi Infrastrutture di ricerca
Le attività di ricerca del progetto hanno portato alla partecipazione e/o utilizzo di infrastrutture di ricerca europei. Esse sono:
Partecipazione alla gestione della beamline italiana presso ESRF GILDA.
Partecipazione alla gestione della linea XRD1 presso il sincrotrone ad Elettra in collaborazione con la Sincrotrone Trieste S.C.p.A.
Partecipazione all’infrastruttura europea di ricerca per la biologia strutturale” INSTRUCT” X-‐ray MicroImaging Laboratory (XMI-‐LAB) e Strutture integrate NMR e Spettroscopia
Laboratorio LAMEST per gli studi morfologici -‐ Infrastruttura BeyondNano 3-‐D Manufacting Facilities